EL84-Verstärker mit unity-coupled Ausgangsstufe

von Alexander Linden



In den späten vierziger Jahren hatte die Firma McIntosh eine neue Form der Ausgangsstufe mit bifilar gewickelten Übertragern eingeführt, die gegenüber den konventionellen Schaltungen verbesserte Eigenschaften aufwies und den Betrieb von Endstufen mit geringem Ruhestrom ermöglichen sollte. Die damit ausgestatteten Verstärkerserien erlangten einen guten Ruf und wurden später auch häufig als Referenzverstärker in Tonstudios verwendet. Der bekannteste dieser Art ist vermutlich der MC275.

Vor einiger Zeit begannen mich diese Verstärker zu interessieren, weil sie oft als 'legendär' bezeichnet werden, aber bis heute fast nur von McIntosh gebaut wurden. Ich wollte es einmal ganz genau wissen. Allerdings sollte es kein wattstarker Bolide werden, sondern ein kleines Konzept mit der EL84.

chassis

Prinzip der Ausgangsstufe
Röhrenverstärker sind keine Blackboxen, hier ist die Schaltung des MC275. Das Prinzip der Ausgangsstufe zeigt folgende Zeichnung aus der Patentschrift von 1949:

patent drawing

Wie man sehen kann besteht hier die Primärwicklung aus zwei gleichen bifilaren Wicklungshälften, d.h. es werden beim Wickeln immer zwei Drähte gleichzeitig nebeneinander auf den Kern gelegt, so dass man kapazitiv und induktiv perfekt gekoppelte Wicklungsteile erhält. Dann werden beide Einzeldrähte jeder Wicklungshäfte zwischen den Röhren so aufgeteilt, das sich jeweils einer im Anodenzweig einer Röhre, der andere im Kathodenzweig der gegenüberliegenden Röhre befindet. Der eigentliche Trick dabei ist der, das beide Drähte jeder bifilaren Wicklung stets auf gleichem Wechselspannungspotential liegen, wechselspannungsmässig also parallel geschaltet sind, dabei jedoch in gegensinniger Richtung und Phase vom Strom durchflossen werden. Durch die feste Kopplung zwischen beiden Drähten entsteht bei hoher Frequenz keine Phasendrehung durch Leckinduktivitäten im Anodenkreis, so dass sich beide Röhren gegenseitig phasengleich linearisieren und keine Abschaltverzerrungen auftreten. Bei niedrigen Ruheströmen wäre das sonst der Fall, weil die Arbeitspunkte durch reaktive Anodenwiderstände dann bei steigender Frequenz zunehmend gegeneinander phasenverschoben im Kreis laufen, bis im Extremfall beide Röhren gleichzeitig sperren. Auf dem Oszilloskop würde man diesen Effekt als eine Abflachung auf einer Seite des Sinus beobachten. Da die Phasendrehung im Anodenkreis hier vollständig eliminiert wird, hat selbst eine drastische Verringerung des Ruhestroms zusammen mit der Kathodengegenkopplung keine relevante Auswirkung auf die Messwerte mehr. Streukapazitäten können sich ebenfalls weniger auswirken, da beide Röhren effektiv auf parallelgeschaltete Primärwicklungen arbeiten, wodurch die Impedanz zwischen beiden Anoden auf ein Viertel sinkt. Man braucht natürlich die gleichen Windungszahlen, aber es liegen ja immer zwei benachbarte Drähte auf gleichem Spannungspotential, so dass über allen Verlustkapazitäten die halbe Spannung liegt und deren Wirksamkeit auf ein Viertel gesenkt wird. Ferner führt die Aufteilung der Windungen zu einer effektiven Verdoppelung der Verschachtelungstiefe (Interleaving), so das man gössere Bandbreiten erzielen kann ohne zusätzliche Trennlagen und damit Kapazitätsflächen zur Sekundärwicklung zu brauchen. Der Übertrager kommt dann mit einer 5/4 Verschachtelung auf etwa 130kHz. Ausserdem führt natürlich noch die Kathodengegenkopplung zu einer Linearisierung dieser Ausgangsstufe.

Wegen des geringen Bias erwärmen sich diese Verstärker kaum, entsprechend hoch sind Lebensdauer der Bauteile und Zuverlässigkeit, vor allem die Röhren halten so fast unbegrenzt.

Bootstrapping und Treiberstufe
Damit die Röhren im Pentodenbetrieb arbeiten, müssen die Schirmgitter auf einer festen Betriebsspannung liegen. Das wäre hier jedoch nicht der Fall, da sich die Kathodenspannung mit maximal der halben Betriebsspannung verändert. Da sich die Anode der jeweils gegenüberliegenden Röhre mit gleicher Amplitude und Phase bewegt, verbindet man sie einfach mit diesen Punkten. Aus Sicht der Kathoden liegen die Schirmgitter jetzt auf einer Festspannung, die Röhren arbeiten somit im normalen Pentodenbetrieb. Ein Bootstrapping wird auch für die Treiberstufe benötigt, da die Röhre sonst nicht den erforderlichen Spannungshub aufbringen könnte ohne zu übersteuern. Ausserdem ist eine Gleichspannungsankopplung der Endröhren vorteilhaft, um ein sauberes Übersteuern zu gewährleisten. Koppelkondensatoren vor den Endröhren würden sich durch den einsetzenden Gitterstrom aufladen und kurzzeitig den Arbeitspunkt herunterziehen, was bei niedrigem Ruhestrom zu einem gleichzeitigen Sperren beider Röhren führen kann.

Ich habe hier nach einer möglichst effektiven Lösung gesucht und bin dabei zu folgendem Prinzip gekommen: Da ich ohnehin eine negative Spannung brauche, mache ich daraus eine negative Betriebsspannung mit wenigen mA Belastbarkeit. Die Spannungsröhre liegt dann auf negativem Potential. Darüber befindet sich eine zweite Röhre als aktiver Widerstand, welche am Gitter die Vorspannungseinstellung bekommt, an die Endröhren gleichspannungsgekoppelt wird, und deren Anode mit dem Bootstrapping verbunden wird. Die Stromröhre bewirkt hier eine gute Unterdrückung der Rückwirkung vom Ausgang auf das Gitter der Endröhren, so dass die Kathodengegenkopplung wirksam ist.

Wie das Schema für einen Kanal aussieht zeigt das Bild unten (zum Vergrössern anklicken):

Channel

Mit dem Ruhestrom lässt sich experimentieren. Nach den Datenblättern zur EL84 liegt das Optimum bei 7,5 mA, darunter beginnt die Kennlinie flach auszulaufen. Weil er im Betrieb noch absinken kann, sollte es allerdings etwas mehr sein. Ich kann sogar bis fast zum Sperren der Röhren abdrehen und es klingt noch immer gut. Bei der Defininition von Klasse-B und Klasse-AB kommt es manchmal zu etwas Verwirrung, weil in der Fachliteratur oft ein Betrieb ganz ohne Ruhestrom als Klasse-B bezeichnet wird. In diesem Fall würden aber für einen kleinen Teil der Kennlinie beide Elemente gleichzeitig sperren, weshalb das eigentlich ein Klasse-C Betrieb wäre. Bei der Wahl des Ruhestroms gibt es für den Klirrfaktor ein Optimum, das bei der EL84 7,5 mA beträgt. In der Röhrenzeit hat man dieses Optimum immer als Klasse-B definiert, während ein hoher Arbeitspunkt (d.h. Klasse-A im praktisch genutzen Bereich und der Rest zum Übersteuern) als Klasse-AB bezeichnet wird.

wiring

Die Übertrager
Gewickelt wurden sie auf M102a-Kerne aus hochwertigem Übertragerblech. Wie McIntosh seine Übertrager genau aufbaut ist mir leider unbekannt, es wurde nur das konventionelle Schema für einen Zweikammerkern mit 5/4 Verschachtelung in eine bifilare Wickelanordnung übersetzt. Die Primärwindungzahl habe ich allerdings mit >4000 Windungen etwas höher angesetzt als sonst üblich. Der Grund ist einfach, das man das hier wegen des Prinzips machen kann ohne sich dabei zwangsläufig wieder Nachteile bei hohen Frequenzen einzufangen. Als Folge zeigt der Verstärker Kontrolle bis unter 20Hz und einen satten Tiefbass, was man bei kleinen EL84-Verstärkern meistens nicht so zu hören bekommt. Zur Herstellung verwende ich eine selbstgebaute Wickelmaschine. Wichtig ist bei der bifilaren Wicklung nur, das die Zugspannung auf beide Drähte getrennt wirken muss, damit sich Ungleichheiten sofort ausgleichen können. Ich verwende dafür recht einfach zwei übereinanderliegende Metallstangen, um die ich die Drähte ein paarmal im Zickzack lege, das erzeugt dann beim Aufwickeln die notwendige Zugspannung. Anschliessend werden die Drähte auf der Führung durch ein kleines Loch zusammengebracht, so dass sie sich dann sauber nebeneinander auf den Kern legen. Ohne Vakuumtränke bringe ich dann nach jeder Lage etwas Fixierlack auf, dann kommt eine Trennlage und die Nächste wird gewickelt. Wichtig ist, das die Primärwicklung auf beiden Kammern gegensinnig gewickelt wird. Sonst läge nachher die eine Anode am äusseren Ende, die andere innen. Da aber innen wegen des geringeren Wicklungsumfangs auch weniger Kapazitäten auftreten, sollte am äusseren Ende für beide Seiten die Betriebsspannung liegen. Trennen lässt sich zwischen den Wicklungen mit 3 Lagen 0,06mm gefiederter Polyesterfolie oder (weil ich davon noch Bestände hatte) Isolierpapier. Zwischen den Lagen reicht 0,04mm Lackpapier.

Die Sekundärwicklung ist mit 5 Ohm angegeben, dabei werden etwa 26 Watt Sinus Dauerleistung erzeugt.

operate


Unten sieht man nochmal die Bias-Einsteller mit den zugehörigen Testpunkten.

bias


alinden@gmx.de 

Noch ein paar weitere Fotos:









Auf der Rückseite, folgendes Foto, ist noch ein überflüssiger Netzschalter. Der ist noch da, weil ich in dem Holzrahmen früher einen ganz anderen Verstärker hatte. Ich werde ihn ausbauen und die Öffnung für die Sicherung benutzen. Die Bananenbuchsen sind auch nur provisorisch, die werden noch durch Lautsprecherklemmen ersetzt. An den Trafohauben werde auch noch was machen. Entweder kommen da Metallhauben drauf (sie sind momentan noch aus Holz), oder ich muss sie anders lackieren, der Hammerite gefällt mir nicht so ganz.




Schaltungen
Verstärker
Netzteil

Referenzen
Description and analysis of a new 50 Watt amplifier circuit
Publikation von Frank H. McIntosh, Audio Engineering, 1949.

Amplifiers and Superlatives

Vergleich zwischen Ultralinearschaltung und Kathodengegenkopplung, Wireless World, 1952.

Berechnen und Wickeln eines HI-FI-Gegentakt-Übertragers für EL84



Zurück zur Hauptseite